阅读说明：本技术 生物阻抗和接触阻抗测量 (Bioimpedance and contact impedance measurements ) 是由 J·C·C·安奥 J·卡尔皮玛拉维拉 L·P·赖尔登 于 2019-05-31 设计创作，主要内容包括：本公开涉及生物阻抗和接触阻抗测量。准确测量生物阻抗对于感知机体的特性是重要的。不幸的是,接触阻抗会显着降低生物阻抗测量的准确性。为了解决这个问题,可以配置用于实现四线阻抗测量的电路以进行多次电流测量。多次电流测量建立方程系统以允许导出未知的生物阻抗和接触阻抗。结果是精确的生物阻抗测量,其不受大接触阻抗的不利影响。而且,可以识别具有不期望的大阻抗的不良接触。(The present disclosure relates to bioimpedance and contact impedance measurements. Accurate measurement of bio-impedance is important for sensing properties of the body. Unfortunately, contact impedance can significantly reduce the accuracy of the bioimpedance measurement. To address this problem, a circuit for implementing four-wire impedance measurements may be configured to perform multiple current measurements. Multiple current measurements establish a system of equations to allow for the derivation of unknown bio-impedance and contact impedance. The result is an accurate bio-impedance measurement that is not adversely affected by large contact impedances. Also, a bad contact with an undesirably large impedance can be identified.)

生物阻抗和接触阻抗测量

优先权应用

该专利申请要求2018年5月31日提交的题为“生物阻抗和接触阻抗测量”的美国临时申请序列号62/678,986的优先权并接受权益，以及要求2018年6月1日提交的题为“生物阻抗和接触阻抗测量”的美国临时申请序列号为62/679,460的优先权并接受权益，其全部内容结合于此。

技术领域

本发明涉及集成电路领域，尤其涉及阻抗测量。

背景技术

机体的阻抗测量，在本文中称为生物阻抗，在医疗保健和消费者应用中具有许多应用。阻抗测量可以通过机身-磨损系统中提供的电极或可穿戴设备(例如手表、胸带、头带、贴片等)来进行。耦合到电极的电路可以导出放置电极的机体的未知阻抗。阻抗测量对于生命体征监测，机体中组织和液体水平的感测尤其有用，用于检测肺水肿迹象或评估机体组成。此外，电阻抗断层摄影术是一种新兴的医学成像非侵入性技术。由于各种挑战，进行准确的生物阻抗测量并非易事。

具体实施方式

综述

准确地测量生物阻抗对于感测机体的特性是重要的。不幸的是，接触阻抗会显着降低生物阻抗测量的准确性。为了解决这个问题，可以配置用于实现四线阻抗测量的电路以进行多次电流测量。多次电流测量建立了一个方程组，以允许导出未知的生物阻抗和接触阻抗。结果是精确的生物阻抗测量，不受大接触阻抗的负面影响。而且，可以识别具有不期望的大阻抗的不良接触。

四线阻抗测量

阻抗测量的一种技术是四端子传感方案或四线阻抗测量方案。有时它被称为开尔文传感。该技术涉及使用放置在机体上的四个电极来感测或导出未知的生物阻抗。

图1示出了根据本公开的一些实施例的系统100，其具有用于执行生成生物阻抗的四线阻抗测量的一种示例性方式的电极和电路。在图中，未知的生物阻抗显示为Z_机体。系统100包括电极104、106、108和110(或与机体的接触)。电极104、106、108和110分别具有接触阻抗Z_E1、Z_E2、Z_E3和Z_E4。接触阻抗Z_E1、Z_E2、Z_E3和Z_E4可分别代表电极104、106、108和110的皮肤电极阻抗。封装为集成电路或芯片的电路150具有与电极连接的引脚(或连接)。引脚CE0电耦合到电极104。引脚AIN2电耦合到电极106。引脚AIN3电耦合到电极108。引脚AIN1电耦合到电极110。

系统100具有四个分支：包括电极104和引脚CE0的分支，包括电极106和引脚AIN2的分支，包括电极108和引脚AIN3的分支，以及包括电极110和引脚AIN1的分支。两个分支用于感测未知生物阻抗Z_机体的第一端，而另外两个分支用于感测未知生物阻抗Z_机体的第二端。包括电极104的分支耦合到未知生物阻抗Z_机体的第一端。包括电极106的分支耦合到未知生物阻抗Z_机体的第一端。包括电极108的分支耦合到未知生物阻抗Z_机体的第二端。包括电极110的分支耦合到未知生物阻抗Z_机体的第二端。四个分支连接到电路150的相应引脚。电路150外部的分支的一部分可以代表在电缆末端具有贴片的电缆。电路150外部的分支的部分也可以表示在导体或导线的末端具有电极的导体或导线。导体和电极可以安装在可穿戴设备中。可选地，C_ISO1、C_ISO2、C_ISO3、C_ISO4所示的电容可以包括在各对电极和引脚之间，以在人类用户的机体和电路150内的电路之间提供隔离和保护(例如，阻挡DC信号)。

电路150可以包括多路复用器(mux)112。可以以将不同引脚的信号路径连接到电路150的不同部分的方式来控制Mux 112。如本文所使用的，Mux 112表示可控制的可配置网络，以将电路150的不同部分连接到不同的引脚。例如，多路复用器112可以将电路150的不同部分连接到连接到引脚的不同分支(具有相应电极的分支)。多路复用器112的不同配置可以形成不同的信号路径或不同的阻抗网络(阻抗网络与信号路径同义)。

电路150可包括信号发生器116(例如，正弦信号发生器)。信号发生器可以产生峰值电压为V_峰值的信号。信号发生器在信号发生器的输出端产生信号。

电路150可以包括电压测量电路118，以测量电压测量电路118的正输入和负输入两端的电压。在一些实施例中，电压测量电路118可以包括具有正端子和负端子的仪表放大器(inAmp)120，用于检测正端子和负端子之间的电压差，并输出表示该电压差的电压输出。电压测量电路118可以包括离散傅立叶变换(DFT)块122和求和块124，以基于来自inAmp120的电压输出产生电压测量。用于产生电压测量的组件(例如，两个输入之间的电压差)可以根据实施情况而有所不同。

电路150还可以包括电流测量电路126，以测量电流测量电路126的输入端处的电流。在一些实施例中，电流测量电路126可以包括跨阻抗放大器(TIA)128，以将在TIA 128的输入端子处的电流转换为代表电流的电压输出。电流测量电路126可以包括DFT块130和求和块132，以基于从TIA 128输出的电压产生电流测量。用于产生电流测量的组件(例如，流过输入的电流量)可以根据实施情况而有所不同。

为了进行阻抗测量，在未知生物阻抗上产生电压，显示为Z_机体。未知生物阻抗Z_机体上的电压可以视为V_A-V_B。未知生物阻抗Z_机体上的电压可以由信号发生器116产生或施加。同时，未知生物阻抗Z_机体上的电压由电压测量电路118测量，并且通过未知生物阻抗Z_机体的电流也可以通过电流测量电路126测量。测量的电压和测量的电流可以用于导出未知生物阻抗Z_机体的阻抗值。具体地，未知生物阻抗Z_机体的阻抗值与电压测量值除以电流测量值有关。

在传统的双线阻抗测量中，测量问题可能是由于电缆的阻抗(包括接触阻抗)被添加到未知的生物阻抗Z_机体，从而破坏了阻抗测量。为简单起见，存在的阻抗集中在一起作为每个分支中的接触阻抗。理论上，四线阻抗测量可以避免此类问题。当未知生物阻抗Z_机体远高于电缆的阻抗时，测量结果可以足够准确。

然而，在实践中，四线阻抗测量可能具有某些其他限制或非理想性，这些限制或非理想性可显着影响生物阻抗测量的准确性。例如，当在低频、高频、某些频率或各种频率下进行阻抗测量时，这些限制可能是显着的。在一些情况下，接触阻抗Z_E1、Z_E2、Z_E3和Z_E4中的一个或多个可以大于未知的生物阻抗Z_机体。例如，机械和/或环境原因(例如，湿度，移动，皮肤上的毛发等)可能导致接触不良，并且可能严重增加一个或多个接触阻抗。在某些严重情况下，接触阻抗的(幅度)可能大于2kΩ。在某些情况下，可选的电容器C_ISO1、C_ISO2、C_ISO3、C_ISO4也会显着增加或影响电缆的阻抗。在一些情况下，接触阻抗Z_E1、Z_E2、Z_E3和Z_E4可以彼此不平衡(例如，不平衡可以大于1kΩ)。已发现这些限制会降低四线阻抗测量的精度。

引起这些限制的问题之一是降低生物阻抗测量的准确度，即在引脚AIN2和引脚AIN3处可能存在大的输入电容(例如，大约40pF)。图2示出了根据本公开的一些实施例的执行生物阻抗的四线阻抗测量的电路中存在的输入电容。接地输入电容202可以存在于引脚AIN2处，并且接地输入电容204也可以存在于引脚AIN3处。接地输入电容202，接触阻抗Z_E2和电容C_ISO2可以形成滤波器。该滤波器可能是有问题的，因为接触阻抗Z_E2是未知的，因此滤波器的效果也是未知的。接地输入电容204，接触阻抗Z_E3和电容C_ISO3也可以形成另一个滤波器。这个其他滤波器可能是有问题的，因为接触阻抗Z_E3是未知的，因此该其他滤波器的效果也是未知的。理想情况下，电压V_A应与电压V_C相同，电压V_B应与电压V_D相同。由于接地输入电容202和204，在某些频率下，电压V_A与电压V_C不同，并且电压V_B与电压V_D不同。V_A和V_B两端的电压可能与V_C和V_D两端的电压不同。接地输入电容202和204的负面影响可以在低频下观察到，并且当接触阻抗高时，例如在数百或数千欧姆的范围内。此外，接地输入电容202和204可归因于接触阻抗的不平衡。分支的接触阻抗的不平衡可以产生不同的截止频率，从而在每个分支中引起不同的衰减。

可能降低生物阻抗测量精度的另一个问题是电流泄漏。图3示出了根据本公开的一些实施例的执行生物阻抗的四线阻抗测量的电路中存在的电流泄漏。电流泄漏的产生是因为具有电极108的分支的阻抗Z_S-可以类似于具有驱动TIA 128的电极110的分支的阻抗Z_F-。这导致流过未知生物阻抗Z_机体的一些当前I_机体流过具有电极108的分支，并且并非所有当前I_机体都将流过具有电极110的分支。换句话说，通过具有电极108的分支的电流I_ZS-理想地为零，并且通过具有电极110的分支的电流I_ZF-理想地等于电流I_机体。实际上，当前的I_ZS-不是零。结果，通过具有电极110的分支的电流I_ZF-不等于电流I_机体，并且电流测量电路126不测量电流I_机体的一部分。电流测量被破坏，因此阻抗测量也被破坏。分支机构的高接触阻抗会加剧这个问题。

用于通过多次测量和信号处理导出接触阻抗的示例性方案

通过配置多路复用器112并进行多个电流测量，可以导出系统的(未知)阻抗，包括未知的生物阻抗Z_机体，以及接触阻抗Z_E1、Z_E2、Z_E3和Z_E4，基于方程组。通过校准测量形成方程组，并且通过配置多路复用器112形成不同信号路径的若干其他电流测量。多路复用器112可以选择性地将信号发生器116的输出和电流测量电路126的输入耦合到不同的引脚(例如，RCAL1、RCAL2、CE0、AIN2、AIN3和AIN1)。因此，多路复用器112可以通过不同的信号路径或者涉及至少一些未知阻抗的不同阻抗网络将信号发生器116的输出连接到电流测量电路126的输入。不同的信号路径单独地可以包括系统的两个或更多个未知阻抗：未知生物阻抗Z_机体，以及接触阻抗Z_E1、Z_E2、Z_E3和Z_E4。至少一些未知阻抗的独特的信号路径或独特的阻抗网络，以及独特的信号路径或独特的阻抗网络的电流测量，建立未知阻抗的方程组。独特的信号路径或独特的阻抗网络一起包括至少一次未知阻抗中的每一个。每个独特的信号路径或独特的阻抗网络将包括系统的至少一些未知阻抗。有效地，信号发生器116可以激励由多路复用器112形成的独特的信号路径或独特的阻抗网络，并且电流测量电路126可以测量通过独特的信号路径或独特的阻抗网络的电流。

要确定五个未知阻抗(生物阻抗和四个接触阻抗)，至少需要五个方程。利用足够数量的等式，可以通过信号处理(即，计算)导出五个未知阻抗。通过适当的处理，电流测量允许确定生物阻抗和接触阻抗。电流测量可以由电流测量电路126执行。信号处理可以在数字域中执行，例如，通过数字电路190执行。数字电路190可以包括专用数字硬件以执行信号处理。数字电路190可以包括微处理器或微控制器，其被配置为执行实现信号处理的指令。数字电路190可以在芯片上与电路150一起提供或在片外提供(如图所示)。数字电路190可以被实现为控制多路复用器112以形成从信号发生器116到电流测量电路126的独特的信号路径或独特的阻抗网络。计算机可读存储器192可以存储测量值。计算机可读存储器192可以存储实现信号处理的指令。计算机可读存储器192可以在芯片上与电路150一起提供或在片外提供(如图所示)。

图4示出了根据本公开的一些实施例的校准测量。执行校准测量以确定来自信号发生器116的峰值电压(如果尚未测量或者如果还不知道)。通过经过至少一些未知阻抗的独特的信号路径的电流测量形成的方程组(如下面的等式2-6所示)使用在校准测量中测量的峰值电压作为数值常数。将进一步基于校准测量中测量的峰值电压导出未知阻抗。确定来自信号发生器116的峰值电压可以以各种方式执行。来自信号发生器116的输出可以施加到具有已知电阻值的电阻器，并且电流测量电路126可以测量通过电阻器的电流。校准测量由下式表示：V_CAL＝I_CAL·R_CAL(再现如下面的等式1)。R_CAL是一个具有已知稳定电阻值的电阻器。I_CAL由电流测量电路126测量。因此，可以导出来自信号发生器116的电压V_CAL。

具有已知电阻值的电阻器可以在芯片上与电路150一起提供或在片外(如图所示)提供。如果已知信号发生器的峰值电压，则校准测量是可选的。校准测量可能仅需要执行一次，并且不需要在每次进行阻抗测量时执行。

在所示的示例中，对于校准测量，具有已知的稳定电阻值的(片外)电阻器R_CAL耦合在引脚RCAL1和RCAL2之间。多路复用器112被配置为将信号路径从引脚RCAL1耦合到信号发生器116并且将信号路径从引脚RCAL2耦合到电流测量电路126。多路复用器112形成从信号发生器116的输出到电流测量电路126的输入的信号路径，并且信号路径包括电阻器R_CAL。多路复用器112通过电阻器R_CAL将信号发生器116的输出连接到电流测量电路126的输入。由电流测量电路执行的测量电流是I_CAL。利用电阻器R_CAL的已知电阻值，可以导出电阻器R_CAL两端的电压V_CAL＝I_CAL·R_CAL。测量的电流I_CAL和电阻器R_CAL的已知电阻值形成等式1，如下所示。电压V_CAL表示来自信号发生器116的(校准的)峰值电压。通过测量通过R_CAL(即，通过包括R_CAL的信号路径)的电流(通过电流测量电路126)来确定通过R_CAL的电压的测量值V_CAL。

图5-9示出了根据本公开的实施例的五个电流测量。五个电流测量建立了一个由五个方程组成的方程组，五个未知阻抗(生物阻抗和四个接触阻抗)可以从求解五个方程组成的方程组得出。注意，在各个分支中，为了简单起见，连接到引脚的电缆中的阻抗和接触阻抗被集中在一起并表示为接触阻抗(例如，Z_E1、Z_E2、Z_E3和Z_E4)。因此，接触阻抗代表各个分支阻抗。

在图5中，多路复用器112被配置为将信号路径从引脚CE0耦合到信号发生器116的输出，并将信号路径从引脚AIN1耦合到电流测量电路126的输入。通过电流测量电路126获得的测量的电流是I₁。测量的电流I₁、测量的电流I_CAL和R_CAL的已知电阻值形成等式2，如下所示。多路复用器112形成了从信号发生器116到电流测量电路126的信号路径。信号路径包括未知的接触阻抗Z_E1、未知的生物阻抗Z_机体和未知的接触阻抗Z_E4(串联)。信号路径包括具有电极104和引脚CE0的分支，以及具有电极110和引脚AIN1的分支。等式2封装了信号路径中的三个未知阻抗Z_E1、Z_机体和Z_E4与测量电流I₁、测量电流I_CAL和R_CAL的已知电阻值之间的关系。注意，测量的电流I_CAL和R_CAL的已知电阻值的乘积等于从校准测量获得的电压V_CAL。

在图6中，多路复用器112被配置为将来自引脚CE0的信号路径耦合到信号发生器116的输出，并将来自引脚AIN2的信号路径耦合到电流测量电路126的输入。通过电流测量电路126获得的测量电流是I₂。测量的电流I₂、测量的电流I_CAL和R_CAL的已知电阻值形成等式3，如下所示。多路复用器112形成了从信号发生器116到电流测量电路126的信号路径。信号路径包括未知的接触阻抗Z_E1和未知的接触阻抗Z_E2(串联)。信号路径包括具有电极104和引脚CE0的分支，以及具有电极106和引脚AIN2的分支。等式3封装了信号路径中的两个未知阻抗Z_E1和Z_E2与测量电流I₂、测量电流I_CAL和R_CAL的已知电阻值之间的关系。

在图7中，多路复用器112被配置为将信号路径从引脚CE0耦合到信号发生器116的输出，并将信号路径从引脚AIN3耦合到电流测量电路126的输入。通过电流测量电路126获得的测量的电流是I₃。测量的电流I₃、测量的电流I_CAL和R_CAL的已知电阻值形成等式4，如下所示。多路复用器112形成了从信号发生器116到电流测量电路126的信号路径。信号路径包括未知的接触阻抗Z_E1、未知的生物阻抗Z_机体和未知的接触阻抗Z_E3(串联)。信号路径包括具有电极104和引脚CE0的分支，以及具有电极108和引脚AIN3的分支。等式4封装了信号路径中的三个未知阻抗Z_E1、Z_机体和Z_E3与测量的电流I₃、测量的电流I_CAL和R_CAL的已知电阻值之间的关系。

在图8中，多路复用器112被配置为将来自引脚AIN2的信号路径耦合到信号发生器116的输出，并将来自引脚AIN1的信号路径耦合到电流测量电路126的输入。通过电流测量电路126获得的测量电流是I₄。测量的电流I₄、测量的电流I_CAL和R_CAL的已知电阻值形成等式5，如下所示。多路复用器112形成了从信号发生器116到电流测量电路126的信号路径。信号路径包括未知的接触阻抗Z_E2、未知的生物阻抗Z_机体和未知的接触阻抗Z_E4(串联)。信号路径包括具有电极106和引脚AIN2的分支，以及具有电极110和引脚AIN1的分支。等式5封装了信号路径中的三个未知阻抗Z_E2、Z_机体和Z_E4与测量的电流I₄、测量的电流I_CAL和R_CAL的已知电阻值之间的关系。

在图9中，多路复用器112被配置为将信号路径从引脚AIN3耦合到信号发生器116的输出，并将信号路径从引脚AIN1耦合到电流测量电路126的输入。通过电流测量电路126获得的测量电流是是I₅。测量的电流I₅、测量的电流I_CAL和R_CAL的已知电阻值形成等式6，如下所示。多路复用器112形成了从信号发生器116到电流测量电路126的信号路径。信号路径包括未知的接触阻抗Z_E3和未知的接触阻抗Z_E4(串联)。信号路径包括具有电极108和引脚AIN3的分支，以及具有电极110和引脚AIN1的分支。等式6封装了信号路径中两个未知阻抗Z_E3和Z_E4与测量电流I₅、测量电流I_CAL和R_CAL的已知电阻值之间的关系。

利用五个等式(等式2-6)和五个未知阻抗Z_机体、Z_E1、Z_E2、Z_E3和Z_E4，可以导出和确定五个未知阻抗Z_机体、Z_E1、Z_E2、Z_E3和Z_E4的值。如图5-9所示，每个独特的信号路径包括两个分支阻抗。而且，如图5、7和8所示，一些独特的信号路径中的每个都可以包括生物阻抗和两个分支阻抗。每个独特的信号路径包括至少一些未知阻抗，并且独特的信号路径一起包括每个未知阻抗至少一次。

可以将五个等式(等式2-6)重写为等式7-11，其根据一个或多个电流测量值(I₁、I₂、I₃、I₄和I₅中的一个或多个)、测量的电流I_CAL和RCAL的已知电阻值给出未知阻抗Z_机体、Z_E1、Z_E2、Z_E3和Z_E4。可以实现数字电路190，例如微控制器或微处理器，以基于图4-9和等式7-11中所见的测量来计算未知阻抗。计算机可读存储器192可以存储测量结果，以及用于处理测量结果以导出阻抗的指令。

可以以任何顺序执行图4-9中所示的测量。在某些情况下，可以进行五次以上的测量以生成五个以上的方程式。

图4-9所示的方案可具有若干优点。注意，不再需要跨未知生物阻抗Z_机体的电压测量(这通常在图1所示的四线阻抗测量中需要)。结果，在电路150中不再需要昂贵的inAmp120。此外，引脚AIN2和AIN3(用作低通滤波器)的接地电容引起的误差(其导致V_A的电压与V_C不同，V_B的电压与V_D的电压不同)不再相关，因为没有进行电压测量。此外，该方案可以有效地导出五个阻抗Z_机体、Z_E1、Z_E2、Z_E3和Z_E4。

用于通过多次测量和信号处理导出接触阻抗的另一示例性方案

在图4-9中所示的测量所示的先前方案中，存在一个限制：电流泄漏。图10示出了根据本公开的一些实施例的在图5中看到的测量中存在的电流泄漏。当进行电流测量时，例如电流I₁(如图5所示)，未连接到信号发生器116或电流测量电路126的分支理想地具有无限阻抗。利用无限阻抗，未连接到信号发生器116或电流测量电路126的分支将具有零电流。换句话说，I_ZE2(通过具有电极106和引脚Ain2的分支的电流)和I_ZE3(通过具有电极108和引脚AIN3的分支的电流)理想地为零。结果，I_ZE1将等于I_机体(通过未知生物阻抗的电流)，并且也等于I_TIA(通过分支的电流)。这将意味着没有电流通过具有电极106和电极108的分支泄漏，并且电流测量电路126正在准确地测量通过未知生物阻抗Z_机体的电流(I_TIA＝I_机体)。实际上，未连接到信号发生器116或电流测量电路126的分支不具有无限阻抗，并且可以具有接地电容1002和1004(例如，在pF或μF范围内)。接地电容1002和1004表示能够在分支中吸收电流的电路(例如，多路复用器112中的电路)。结果，电流I_ZE1的一部分可以流过未连接到信号发生器116或电流测量电路126的分支。这意味着I_ZE2和I_ZE3不为零，并且I_ZE1可能不等于I_机体，并且可能不等于I_TIA。结果，电流通过具有电极106和电极108的分支泄漏，并且电流测量电路126正在不准确地测量通过未知生物阻抗Z_机体的电流(I_TIA≠I_机体)。

为了解决这个限制，可以修改建立具有未知阻抗的方程组的电流测量值。具体地，多路复用器112的配置适用于每次测量，并且不同的等式系统用于导出未知阻抗。不是将一些信号路径悬空，而是将所有信号路径连接到信号发生器116或电流测量电路126。独特的信号路径或独特的阻抗网络，而不是每个仅包括未知阻抗的子集或仅包括四个分支中的两个，独特的信号路径或独特的阻抗网络将包括所有的生物阻抗和分支阻抗，以及所有四个分支。结果，泄漏的电流可以由方程组捕获。

对于四个电流测量，一个信号路径连接到信号发生器116，另外三个信号路径连接到电流测量电路126。四个分支中的一个连接到信号发生器116的输出，四个分支中的另外三个分支连接到电流测量电路126的输入。对于另一个电流测量，两个信号路径连接到信号发生器116，另外两个信号路径连接到电流测量电路126。四个分支中的两个连接到信号发生器116的输出，并且四个分支中的另外两个分支连接到电流测量电路126的输入。因此，没有浮动分支将导致电流泄漏或吸收电流。五个电流测量形成不同的方程组，因为由多路复用器112从信号发生器116到电流测量电路126形成的整个信号路径现在涉及并联阻抗(即，并联的未知阻抗)。然而，具有五个方程的方程组仍然可以确定五个未知阻抗。

通过配置多路复用器112并进行多次电流测量，可以基于方程组导出系统的未知阻抗，包括未知生物阻抗Z_机体和接触阻抗Z_E1、Z_E2、Z_E3和Z_E4。通过校准测量形成方程组，并且通过配置多路复用器112形成不同的、独特的信号路径的若干电流测量。多路复用器112可以选择性地将信号发生器116的输出和电流测量电路126的输入耦合到不同的引脚(例如，RCAL1、RCAL2、CE0、AIN2、AIN3和AIN1)。因此，多路复用器112可以通过不同的信号路径或涉及所有未知阻抗的不同阻抗网络将信号发生器116的输出连接到电流测量电路126的输入。不同的独特的信号路径形成独特的阻抗网络，每个独特的阻抗网络结合了系统的所有未知阻抗：未知生物阻抗Z_机体，以及接触阻抗Z_E1、Z_E2、Z_E3和Z_E4，具有独特的拓扑结构。独特的信号路径或独特的阻抗网络，每个都涉及所有未知阻抗，以及独特的信号路径或独特的阻抗网络的电流测量，建立了未知阻抗的方程组。有效地，信号发生器116可以激励由多路复用器112形成的独特的信号路径或独特的阻抗网络，并且电流测量电路126可以测量通过独特的信号路径或独特的阻抗网络的电流。

要确定五个未知阻抗(生物阻抗和四个接触阻抗)，至少需要五个方程。利用足够数量的等式，可以通过信号处理(即，计算)导出五个未知阻抗。通过适当的处理，电流测量允许确定生物阻抗和接触阻抗。电流测量可以由电流测量电路126执行。信号处理可以在数字域中执行，例如，通过数字电路190执行。数字电路190可以包括专用数字硬件以执行信号处理。数字电路190可以包括微处理器或微控制器，其被配置为执行实现信号处理的指令。数字电路190可以在芯片上与电路150一起提供或在片外提供(如图所示)。数字电路190可以被实现为控制多路复用器112以形成从信号发生器116到电流测量电路126的独特的信号路径或独特的阻抗网络。计算机可读存储器192可以存储测量值。计算机可读存储器192可以存储实现信号处理的指令。计算机可读存储器192可以在芯片上与电路150一起提供或在片外提供(如图所示)。

在该修改的方案中，可以基于图4和等式1中所见的配置来执行校准测量，其产生V_CAL。图11-15示出了根据本公开的实施例的五个电流测量。五个电流测量建立了一个由五个方程组成的方程组，五个未知阻抗(生物阻抗和四个接触阻抗)可以从求解五个方程组成的方程组得出。注意，在各个分支中，为了简单起见，连接到引脚的电缆中的阻抗被集中在一起并表示为接触阻抗(例如，Z_E1、Z_E2、Z_E3和Z_E4)。因此，接触阻抗代表各个分支阻抗。

在图11中，多路复用器112被配置为将信号路径从引脚CE0耦合到信号发生器116的输出，将信号路径从引脚AIN2耦合到电流测量电路126的输入，将信号路径从引脚AIN3耦合到电流测量电路126的输入，将信号路径从引脚AIN1耦合到电流测量电路126的输入。由电流测量电路126完成的测量电流是I₁。图11中的多路复用器112的配置形成包括串联的Z_E1的整体信号路径(并联的Z_E2(串联的Z_机体)(ZE3和ZE4并联))。具有电极104和引脚CE0的分支连接到信号发生器116的输出。具有电极106和引脚AIN2的分支连接到电流测量电路126的输入。具有电极108和引脚AIN3的分支连接到电流测量电路126的输入。具有电极110和引脚AIN1的分支连接到电流测量电路126的输入。测量的电流I₁，测量电压V_CAL，形成等式12，如下所示。等式12封装了测量电流I₁、测量电压V_CAL与从信号发生器116到电流测量电路126(由图11中所示的配置中的多路复用器112形成)的整个信号路径中的未知阻抗之间的关系。

在图12中，多路复用器112被配置为将信号路径从引脚AIN2耦合到信号发生器116的输出，将信号路径从引脚CE0耦合到电流测量电路126的输入，将信号路径从引脚AIN3耦合到电流测量电路126的输入，将信号路径从引脚AIN1耦合到电流测量电路126的输入。由电流测量电路126完成的测量电流是I₂。图12中的多路复用器112的配置形成包括串联的Z_E2的整体信号路径(并联的Z_E1(串联的Z_机体)(Z_E3和Z_E4并联))。具有电极104和引脚CE0的分支连接到电流测量电路126的输入。具有电极106和引脚AIN2的分支连接到信号发生器116的输出。具有电极108和引脚AIN3的分支连接到电流测量电路126的输入。具有电极110和引脚AIN1的分支连接到电流测量电路126的输入。测量的电流I₂，测量电压V_CAL，形成等式13，如下所示。等式13封装了测量电流I₂、测量电压V_CAL与从信号发生器116到电流测量电路126(由图12中所示配置中的多路复用器112形成)的整个信号路径中的未知阻抗之间的关系。

在图13中，多路复用器112被配置为将信号路径从引脚AIN3耦合到信号发生器116的输出，将信号路径从引脚CE0耦合到电流测量电路126的输入，将信号路径从引脚AIN2耦合到电流测量电路126的输入，将信号路径从引脚AIN1耦合到电流测量电路126的输入。由电流测量电路126完成的测量电流是I₃。图13中的多路复用器112的配置形成包括串联的Z_E3的整体信号路径(并联的Z_E4(串联的Z_机体)(Z_E1和Z_E2并联))。具有电极104和引脚CE0的分支连接到电流测量电路126的输入。具有电极106和引脚AIN2的分支连接到电流测量电路126的输入。具有电极108和引脚AIN3的分支连接到信号发生器116的输出。具有电极110和引脚AIN1的分支连接到电流测量电路126的输入。测量电流I₃，测量电压V_CAL，形成等式14，如下所示。等式14封装了测量电流I₃、测量电压V_CAL与从信号发生器116到电流测量电路126的整个信号路径中的未知阻抗之间的关系(由多路复用器112在图13所示的配置中形成)。

在图14中，多路复用器112被配置为将信号路径从引脚AIN1耦合到信号发生器116，将信号路径从引脚CE0耦合到电流测量电路126，将信号路径从引脚AIN2耦合到电流测量电路126，将信号路径从引脚AIN3耦合到电流测量电路126。由电流测量电路126完成的测量电流是I₄。图14中的多路复用器112的配置形成包括串联的Z_E4的整体信号路径(并联的Z_E3(串联的Z_机体)(Z_E1和Z_E2并联))。具有电极104和引脚CE0的分支连接到电流测量电路126的输入。具有电极106和引脚AIN2的分支连接到电流测量电路126的输入。具有电极108和引脚AIN3的分支连接到电流测量电路126的输入。具有电极110和引脚AIN1的分支连接到信号发生器116的输出。测量电流I₄，测量电压V_CAL，形成公式15，如下所示。等式15封装了测量电流I₄、测量电压V_CAL与从信号发生器116到电流测量电路126(由图14中所示的配置中的多路复用器112形成)的整个信号路径中的未知阻抗之间的关系。

在图15中，多路复用器112被配置为将信号路径从引脚CE0耦合到信号发生器116，将信号路径从引脚AIN2耦合到信号发生器116(以及)，将信号路径从引脚AIN3耦合到电流测量电路126，将信号路径从引脚AIN1耦合到电流测量电路126。由电流测量电路126完成的测量电流是I₅。图15中的多路复用器112的配置形成整体信号路径，其包括(Z_E1和Z_E2并联)与Z_机体串联并且与(Z_E3和Z_E4并联)串联。具有电极104和引脚CE0的分支连接到信号发生器116的输出的输出。具有电极106和引脚AIN2的分支连接到信号发生器116的输出的输出。具有电极108和引脚AIN3的分支连接到电流测量电路126的输入。具有电极110和引脚AIN1的分支连接到电流测量电路126的输入端。测得的电流I₅，测量电压V_CAL，形成等式16，如下所示。等式16封装了测量电流I₅、测量电压V_CAL与从信号发生器116到电流测量电路126(由图15中所示的配置中的多路复用器112形成)的整个信号路径中的未知阻抗之间的关系。

图15所示的信号路径的替代方案是将连接具有电极104和引脚CE0的分支，并将具有电极106和引脚AIN2的分支连接到电流测量电路126的输入，并将具有电极108和引脚AIN3的分支和具有电极110和引脚AIN1的分支连接到信号发生器116的输出。

等式17-21示出了基于并联阻抗的符号的扩展形式的等式12-16。

利用五个等式(等式12-16)和五个未知阻抗Z_机体、Z_E1、Z_E2、Z_E3和Z_E4，可以导出和确定五个未知阻抗Z_机体、Z_E1、Z_E2、Z_E3和Z_E4的值。如图11-15所示，每个独特的信号路径包括所有未知阻抗。而且，如图5、7和8所示，一些独特的信号路径中的每个都可以包括生物阻抗和两个分支阻抗。每个独特的信号路径包括至少一些未知阻抗，并且独特的信号路径一起包括每个未知阻抗至少一次。

可以将代数操作应用于等式17-21以重写等式12-21，使得未知阻抗Z_机体、Z_E1、Z_E2、Z_E3和Z_E4根据电流测量值(例如，I₁、I₂、I₃、I₄，和I₅)、测得的电流I_CAL、以及R_CAL的已知电阻值定义。以下伪代码可以在数字电路190中实现，例如微控制器或微处理器，以基于图4和11-15中所见的测量来确定和计算未知阻抗。

可以以任何顺序执行图4和11-15中所见的测量。在某些情况下，可以进行五次以上的测量以生成五个以上的方程式。

图4和11-15所示的方案可以具有几个优点(类似于图4-9中所示的方案)。注意，不再需要跨未知生物阻抗Z_机体的电压测量(这通常在图1所示的四线阻抗测量中需要)。结果，在电路150中不再需要昂贵的inAmp120。此外，由于没有进行电压测量，由于引脚AIN2和AIN3(用作低通滤波器)的接地电容引起的误差(其导致V_A的电压与V_C不相同，V_B的电压与V_D的电压不同)不再相关。此外，该方案可以有效且准确地导出五个阻抗Z_机体、Z_E1、Z_E2、Z_E3和Z_E4。除了这些优点之外，该方案现在甚至可以在存在高阻抗和接触阻抗之间的大的不平衡的情况下确保准确性。

其他技术优势

测量生物阻抗对于测量用于检测肺的液位或测量胸阻抗的机体阻抗特别有用。测量生物阻抗还可用于电阻抗断层摄影术，以通过在不同频率下进行生物阻抗测量，以非侵入方式确定机体的组成(例如，组织和骨骼的成像)。测量生物阻抗可用于测量呼吸活动，其中呼吸活动可通过观察胸腔阻抗的变化来获得。测量生物阻抗和接触阻抗意味着即使在存在运动的情况下也可以获得呼吸活动，因为可以考虑接触阻抗的变化。运动员和患者等用户可以从这些应用中获益匪浅。

除了未知的生物阻抗Z_机体之外，已知接触阻抗Z_E1、Z_E2、Z_E3和Z_E4可以使电路能够推断接触(即，由接触机体的电极形成的接触)是否良好，例如，作为诊断过程的一部分。例如，高接触阻抗可以指示贴片/电极没有正确地附着到机体上。因此，可以从导出的接触阻抗推断出关于接触质量的信息。

例如，数字电路190可以基于四个分支的阻抗来确定与四个电极相对应的接触的质量。如果分支的给定阻抗太高，则数字电路190可以推断分支的接触是坏的并且输出指示存在不良接触的信号并且可选地输出识别哪个接触是坏的标识符。数字电路190可以将四个分支的阻抗与预定阈值进行比较，以确定给定阻抗是否太高。

可以基于关于联系人质量的推断信息来提供用户反馈。在另一个例子中，智能药物递送应用可能需要与机体的适当接触以确保正确和有效的药物递送。如果接触不当，药物会因吸收不良和皮肤接触而积聚在皮肤上。其他应用，例如心电图或除颤，也可能需要与机体适当接触。能够基于导出的接触阻抗推断接触的质量可以向用户提供关于这种上下文中的接触的质量的反馈。

提取接触质量或接触阻抗的一些努力具有局限性，并且本文描述的用于测量阻抗的方案可以改进这些努力。在一些系统中，提取接触质量或接触阻抗的努力忽略生物阻抗，或者假设生物阻抗与接触阻抗相比为零、接近零或非常小。当电极测量心脏的电活动时，这种假设是合理的，因为在这种情况下，电极彼此靠近放置(例如，在胸腔上)并且已经准备好皮肤以使机体阻抗非常小。这里描述的阻抗测量方案不做出这样的假设。在机体阻抗可能很大的情况下，不进行这种假设可能是有益的。例如，当电极放置在机体的彼此远离的其他部分上时，机体阻抗不能被忽略，其中生物阻抗可以在接触阻抗的范围内。在另一个例子中，如果电极具有非常低的阻抗，则生物阻抗可以远大于接触阻抗。在另一个例子中，缺乏皮肤准备也可以使接触阻抗远大于被测量的生物阻抗。由于所有这些原因，这里描述的阻抗测量方案可以用于各种情况。例如，阻抗测量方案可用于非侵入性地获得机体的成分、确定胸阻抗、确定在运动的情况下的呼吸活动等。

测量阻抗的方法

图16是示出根据本公开的一些实施例的用于测量阻抗的方法的流程图。阻抗包括生物阻抗和四个分支阻抗。在1602中，诸如多路复用器112的电路可以形成独特的信号路径。在1604中，电流测量电路126可以进行独特的信号路径的电流测量。独特的信号路径建立了一个方程组，可以导出阻抗。为了确保方程组将产生未知阻抗，每个独特的信号路径包括所述阻抗的至少一些，独特的信号路径至少一次包括每个阻抗。在1606中，数字电路190可以基于电流测量导出阻抗。

例子

例子1是一种测量阻抗的方法，包括：形成独特的信号路径，其中每个独特的信号路径包括所述阻抗的至少一些，所述独特的信号路径包括每个阻抗至少一次，并且所述阻抗包括生物阻抗和四个分支阻抗，进行所述独特的信号路径的电流测量，和基于所述电流测量导出所述阻抗。

在例子2中，例子1的方法可任选地包括：通过将信号发生器的输出施加到具有已知电阻值的电阻器并测量通过所述电阻器的电流，从信号发生器导出电压，和进一步基于来自所述信号发生器的电压导出所述阻抗。

在例子3中，例子1或2的方法可任选地包括：形成信号路径包括：控制可配置网络以将所述信号发生器的输出连接到所述独特的信号路径并将电流测量电路的输入连接到所述独特的信号路径。

在例子4中，例子1-3中任一项的方法可任选地包括：进行电流测量包括：将来自信号发生器的信号施加到所述独特的信号路径，和通过电流测量电路测量经过每个独特的信号路径的电流。

在例子5中，例子1-4中任一项的方法可任选地包括：每个独特的信号路径包括两个分支阻抗。

在例子6中，例子1-5中任一项的方法可任选地包括：独特的信号路径的一些中的每一个包括生物阻抗和两个分支阻抗。

在例子7中，例子1-6中任一项的方法可任选地包括：每个独特的信号路径包括所有阻抗的网络。

例子8是一种测量阻抗的电路，包括：信号发生器，用于在所述信号发生器的输出处产生信号，电流测量电路，用于测量在所述电流测量电路的输入处的电流，可配置网络，用于经过独特的信号路径将所述信号发生器的输出连接到所述电流测量电路的输入，其中每个独特的信号路径包括以下至少一些：生物阻抗和分支阻抗，和数字电路，用于基于所述独特的信号路径的电流测量来确定所述生物阻抗和所述分支阻抗。

在例子9中，例子8的电路可任选地包括：可配置网络经过至少五个独特的信号路径将信号发生器的输出连接到电流测量电路的输入，和电流测量电路测量至少五个电流测量。

在例子10中，例子8或9的电路可任选地包括：数字电路基于所述独特的信号路径的至少五个电流测量来确定所述生物阻抗和四个分支阻抗。

在例子11中，例子8-10中任一项的电路可任选地包括：独特的信号路径至少一次包括所述生物阻抗和所述分支阻抗中的每一个。

在例子12中，例子8-11中任一项的电路可任选地包括：每个独特的信号路径包括两个分支阻抗。

在例子13中，例子8-12中任一项的电路可任选地包括：独特的信号路径的一些中的每一个包括生物阻抗和两个分支阻抗。

在例子14中，例子8-13中任一项的电路可任选地包括：每个独特的信号路径包括所有生物阻抗和分支阻抗的网络。

在例子15中，例子8-14中任一项的电路可任选地包括：所述可配置网络经过具有已知电阻值的电阻器进一步将所述信号发生器的输出连接到所述电流测量电路的输入，和所述电流测量电路进一步测量经过所述电阻器的电流，以确定来自所述信号发生器的电压。

例子16是一种测量阻抗的电路，包括：四个分支，分别具有四个电极，其中所述四个电极中的两个连接到生物阻抗的第一端，并且所述四个电极中的另外两个连接到所述生物阻抗的第二端，将信号施加到至少五个独特的阻抗网络并进行所述至少五个独特的阻抗网络的电流测量的电路，其中每个独特的阻抗网络至少具有所述四个分支中的两个，数字电路，用于基于所述电流测量来导出所述生物阻抗和所述四个分支的阻抗。

在例子17中，例子16的电路可任选地包括：每个独特的阻抗网络包括所有四个分支。

在例子18中，例子16或17的电路可任选地包括：至少五个独特的阻抗网络包括这样独特的阻抗网络：具有连接到信号发生器的四个分支中的一个和连接到电流测量电路的四个分支中的另外三个。

在例子19中，例子16-18中任一项的电路可任选地包括：至少五个独特的阻抗网络包括第二独特的阻抗网络：具有连接到信号发生器的四个分支中的两个和连接到电流测量电路的四个分支中的另外两个。

在例子20中，例子16-19中任一项的电路可任选地包括：电路用于经过具有已知电阻值的电阻器进一步将信号发生器的输出连接到电流测量电路的输入，并进一步测量经过电阻器的电流以确定来自信号发生器的测量电压。

在例子21中，例子16-20中任一项的电路可任选地包括：数字电路基于所述四个分支的阻抗来确定与所述四个电极相对应的接触质量。

在例子22中，例子16-21中任一项的电路可任选地包括：独特的阻抗网络至少一次包括生物阻抗和四个分支的阻抗中的每一个。

在例子23中，例子16-22中任一项的电路可任选地包括：独特的阻抗网络的一些中的每一个包括生物阻抗和四个分支中的两个的阻抗。

在例子24中，例子16-23中任一项的电路可任选地包括：每个独特的阻抗网络包括所有生物阻抗和四个分支的阻抗的网络。

变化和实施

本公开所示的独特的信号路径不意味着限制。可以实现其他拓扑，用于激励和测量信号路径的方案，并且本公开内容设想了这些方案。

此外，上面讨论的某些实施例可以在用于医学成像、患者监测、医疗仪器和家庭医疗保健的数字信号处理技术中提供。本文的实施例还可以有益于需要使用至少四个电极进行精确阻抗测量的其他应用。

在上述实施例的讨论中，可以容易地更换、替换或以其他方式修改各种电气部件，以适应特定的电路需求。此外，应该注意，互补电子设备、硬件、软件等的使用为实现本公开的教导提供了同样可行的选择。

用于导出未知阻抗的各种电路的部分可包括执行本文所述功能的电子电路。在一些情况下，电路的一个或多个部分可以由专门配置用于执行本文描述的功能的处理器提供。例如，处理器可以包括一个或多个专用组件，或者可以包括可编程逻辑门，其被配置为执行本文描述的功能。该电路可以在模拟域、数字域或混合信号域中操作。在一些情况下，处理器可以被配置为通过执行存储在非暂时性计算机介质上的一个或多个指令来执行本文描述的功能。在一些实施例中，一种装置可以包括用于执行或实现本文描述的一个或多个功能的装置。

还必须注意，本文概述的所有规范、尺寸和关系(例如，处理器的数量、逻辑操作等)仅仅出于示例和教学的目的而提供。在不脱离本公开的精神的情况下，可以显着地改变这样的信息。该规范仅适用于一个非限制性例子，因此，它们应被解释为如此。在前面的描述中，已经参考特定处理器和/或组件布置描述了实例。在不脱离本公开的范围的情况下，可以对这样的实施例进行各种修改和改变。因此，说明书和附图应被视为说明性的而非限制性的。

注意，利用本文提供的众多示例，可以根据两个、三个、四个或更多个电子组件来描述交互。然而，这仅是为了清楚和举例说明的。应该理解，系统可以以任何合适的方式合并。沿着类似的设计替代方案，图中的任何所示组件、模块和元件可以以各种可能的配置组合，所有这些配置显然都在本说明书的广泛范围内。在某些情况下，仅通过参考有限数量的电气元件来描述给定流程集的一个或多个功能可能更容易。应当理解，图及其教导的电路易于扩展，并且可以容纳大量部件，以及更复杂/复杂的布置和配置。因此，所提供的示例不应限制范围或抑制可能应用于无数其他架构的电路的广泛教导。

注意，在本说明书中，对“一个实施例”、“例子实施例”、“实施例”、“另一个实施例”、“一些实施例”、“各种实施例”、“其他实施例”、“替代实施例”等中包括的各种特征(例如，元件、结构、模块、组件、步骤、操作、特性等)的引用旨在表示任何这样的特征包括在本公开的一个或多个实施例中，但是可以或可以不必在相同的实施例中组合。

同样重要的是要注意，与导出未知阻抗相关的功能仅示出了可由图中所示系统执行或在其内执行的一些可能功能。在适当的情况下可以删除或移除这些操作中的一些，或者可以在不脱离本公开的范围的情况下显着地修改或改变这些操作。此外，这些操作的时间可能会大大改变。前面的操作流程是出于例子和讨论的目的而提供的。本文描述的实施例提供了实质的灵活性，因为可以提供任何合适的布置、时间顺序、配置和定时机制而不脱离本公开的教导。